Пожарная безопасность технологических процессов / Goryachev - PB Tekhnologicheskikh processov 2020

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности химических процессов

Пожарная безопасность процессов гидрирования обеспе - чивается следующими способами и техническими решениями и их комбинацией:

–  автоматическим контролем и регулированием расхода исходных реагентов, жидких катализаторов и инициаторов;

–  автоматическим контролем и регулированием температуры процесса в изоили политермическом реакторе, а также реагентов, поступающих в адиабатический реактор;

–  автоматическими блокировками подачи компонентов или катализаторов при опасном отклонении технологических параметров от нормального уровня;

–  контролем давления в реакторах и устройством предохранительных клапанов;

–  устройством взрывных мембранных клапанов в реакторах; –  устройством температурных компенсаторов;

–  соблюдением регламентированного режима пуска и остановки толстостенных и футерованных аппаратов;

–  очисткой теплообменных поверхностей от отложений как со стороны тепло- и хладоносителей, так и со стороны реагентов;

–  конструктивными решениями, позволяющими снизить температуру стенок толстостенных реакторов гидрирования, работающих под высоким давлением (см. рис. 21.1);

–  применением коррозионно-стойких материалов и защитой материала оборудования от коррозии;

–  устройством систем аварийной эвакуации продуктов.

21.2.2. Особенности пожарной опасности и основные способы обеспечения пожарной безопасности процессов полимеризации

Под полимеризацией понимают химический процесс соединения большого количества одиночных молекул мономеров в макромолекулы полимеров. Реакцию полимеризации можно представить на примере получения полиэтилена:

Условия

n(СН2 = СН2) → [–СH2–СН2–]n + Q.

Условия: полиэтилен низкого давления (НД) получают под давлением 0,3–0,5 МПа при температуре 70–80 °С в присутствии комплексных металлоорганических катализаторов; полиэтилен среднего давления (СД) получают под давлением 3,5–4,0 МПа при температуре 125–150 °С в присутствии окислов металлов переменной валентности (обычно Cr2O3) в качестве

371

Пожарная безопасность технологических процессов

катализаторов; полиэтилен высокого давления (ВД) получают под давлением 150 МПа при температуре 200–225 °С в присутствии кислорода или другого инициатора.

Процессы полимеризации реализуют в реакторах (полимеризаторах) различных типов. Например, для получения полиэтилена НД используется полимеризатор емкостного типа с барботажным устройством, для получения полиэтилена CД – полимеризатор емкостного типа с рубашкой и мешалкой, для получения полиэтилена ВД – трубчатый полимеризатор (каскад теплообменников типа «труба-в-трубе»).

Особенности пожарной опасности процессов полимеризации: –  использование в процессах: ГГ, ЛВЖ и ГЖ в качестве сырья; ЛВЖ в качествевспомогательныхматериалов(дисперсионнойсреды,растворителей, промывочных жидкостей и др.); ГЖ и сильных окислителей в качестве теплоносителей (ВОТ, солей азотной и азотистой кислот); пожаровзрывоопасных веществ в качестве катализаторов и сильных окислителей в качестве инициаторов (кислорода, перекиси водорода или других перекисных соединений); –  способность некоторых катализаторов самовозгораться или самовоспламеняться на воздухе, взрываться при контакте с воздухом, водой, кислотами и другими веществами, а инициаторов – распадаться со взрывом при

повышении температуры или загрязнении органическими веществами; –  проведение процессов в интервале температур от –50 °С и ниже до

300 °С; –  проведение процессов при глубоком вакууме или повышенном дав-

лении (до 250 МПа и выше); –  основные продукты полимеризации представляют собой пожаро-

опасные растворы или эмульсии, твердые диспергированные горючие материалы (суспензии) или расплавы, а побочные продукты – все классы горючих веществ и материалов, начиная с горючих газов;

–  взрывоопасность некоторых продуктов (например, коллоксилина); –  образование отложений полимеров в системах стравливания избы-

точного давления и на теплообменных поверхностях; –  высокаяагрессивность среды,вызывающей интенсивную коррозию

материала оборудования.

Пожарная безопасность процессов полимеризации обе - спечивается следующими основными способами и технически - ми решениями и их комбинацией:

–  автоматическим контролем и регулированием расхода исходных реагентов, жидких и газообразных катализаторов и инициаторов, температуры поступающих компонентов, процесса в полимеризаторе и интенсивности перемешивания среды;

372

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности химических процессов

–  автоматическими блокировками подачи реагентов, катализаторов или инициаторов при опасном отклонении технологических параметров от нормального уровня;

–  контролем содержания примесей в реагентах и очисткой от них; –  проведением процессов в среде инертных газов; –  контролемдавленияииспользованиемпредохранительныхклапанов; –  использованием взрывных мембранных клапанов; –  использованием температурных компенсаторов;

–  очисткой теплообменных поверхностей от отложений как со стороны тепло- и хладоносителей, так и со стороны химических реагентов;

–  очисткой линий отвода продуктов реакций, систем стравливания избыточного давления, труб обратных холодильников от полимерных отложений; –  применением коррозионно-стойких материалов и защитой материа-

ла оборудования от коррозии; –  применением систем аварийной эвакуации продуктов.

21.3. Эндотермические химические процессы

Особенности пожарной опасности и основные мероприятия, направленные на обеспечение пожарной безопасности эндотермических процессов, рассмотрим на примерах процессов дегидрирования и крекинга.

21.3.1. Особенности пожарной опасности и основные способы обеспечения пожарной безопасности процессов дегидрирования

Дегидрирование – отщепления водорода от углеводородов и других органических соединений. Процессы дегидрирования парафиновых углеводородов осуществляются в присутствии катализаторов при температурах 450–580 °С и давлении 0,1–0,7 МПа в целях получения олефиновых и ароматических углеводородов. Процессы дегидрирования спиртов осуществляются в присутствии катализаторов при температурах 275–400 °С и небольшом избыточном давлении в целях получения альдегидов и кетонов.

Процессы дегидрирования равновесные и обратимые. Они проводятся в парогазовой фазе, требуют подвода большого количества тепла и реализуются при дегидрировании спиртов в трубчатых реакторах, обогреваемых топочными газами, а при дегидрировании парафинов – в адиабатических реакторах на установках с циркулирующим катализатором. В процессах дегидрирования парафинов на поверхности катализаторов отлагаются кокс

исмолистые вещества, образующиеся при частичном разложении сырья

ипродуктов реакции, что требует их периодической регенерации.

373

Пожарная безопасность технологических процессов

Химизм процесса дегидрирования спиртов рассмотрим на примере получения ацетальдегида дегидрированием этанола в присутствии медного катализатора с добавками 5%-й окиси кобальта и 2%-й окиси хрома:

.

В присутствии этого катализатора процесс протекает при сравнительно низких температурах (275–300 °С). Контактный газ состоит в основном из паров ацетальдегида и водорода (мольное соотношение 1:1), в связи с чем выделение из него ацетальдегида не приводит к большим потерям. Кроме того, при дегидрировании этилового спирта образуется ценный побочный продукт – этилацетат (9–10 % от массы ацетальдегида).

Технологическая схема процесса представлена на рис. 21.2.

VII

Рис. 21.2. Схема производства ацетальдегида дегидрированием этилового спирта: 1 – реактор; 2 – промывные колонны; 3 – колонна выделения ацетальдегида; 4 – колонна выделения спирта;

I – пары спирта; II – вода; III – водород; IV – разбавленный спирт;

V – ацетальдегид; VI – 95%-й этиловый спирт; VII – отходы

Предварительно нагретые до температуры реакции пары этилового спиртапоступаютвадиабатическийреактор1,наполненныйкатализатором, откуда реакционная масса направляется в промывные колонны 2, орошаемые водой и разбавленным спиртом. В колоннах ацетальдегид и непрореагировавший спирт отделяются от водорода и небольшого количества СО и СО2, образовавшихся в ходе реакции. Далее смесь ацетальдегида, спирта и

374

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности химических процессов

воды разделяется в ректификационных колоннах 3 и 4. Выделенный спирт возвращается в реактор.

В промышленных условиях при использовании медно-хромового катализатора при атмосферном давлении и температуре около 300 °C выход ацетальдегида достигает 90 %.

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности процессов дегидрирования во многом схожи с пожарной опасностью и способами обеспечения пожарной безопасности процессов каталитического крекинга с учетом более «мягких» технологических параметров при проведении процессов дегидрирования.

21.3.2. Особенности пожарной опасности и основные способы обеспечения пожарной безопасности процессов крекинга

Крекинг (англ. cracking – расщепление) – процесс термической или термокаталитической переработки нефтяных фракций в целях увеличения выхода легких фракций, улучшения качества моторных и котельных топлив

иполучения сырья для химической промышленности. Расщепление молекул углеводородов происходит при температуре около 500 °С, протекает хаотично, что приводит к образованию большого количества побочных продуктов и снижению выхода целевых продуктов. В связи с этим для управления процессом крекинга применяют повышенное до 4–6 МПа давление (термический крекинг), катализаторы (каталитический крекинг), а также проводят процесс каталитического крекинга в присутствии водорода (гидрокрекинг, риформинг и другие процессы).

Вкачестве сырья установок термического крекинга обычно используются мазут и гудрон, каталитического крекинга – вакуумный газойль и дизельные фракции, гидрокрекинга – любые нефтяные фракции (от бензина до гудрона). На рис. 21.3 показана принципиальная технологическая схема установки каталитического крекинга.

Установка предназначена для получения светлых нефтепродуктов (высокооктанового бензина и дизельного топлива) из тяжелых нефтяных фракций. В процессе используется микросферический катализатор, позволяющий проводить непрерывный процесс в реакторе-регенераторе с псевдоожиженным слоем катализатора. Сырье нагревается в теплообменниках

ипечи П-1, смешивается с циркулирующим газойлем и поступает в подъемный стояк катализаторопровода, по которому поднимается в реактор Р-1 с псевдоожиженным слоем. Крекинг сырья происходит в катализаторопроводе и реакторе. Катализатор из псевдоожиженного слоя реактора опускается в отпарную зону, куда подается водяной пар. С помощью пара удаляются адсорбированные поверхностью катализатора нефтяные пары. Затем

375

Пожарная безопасность технологических процессов

катализатор поступает в катализаторопровод, смешивается с воздухом и поднимается воздушным потоком в регенератор Р-2. В регенераторе с псевдоожиженным слоем катализатора происходит выжигание кокса с поверхности катализатора. Регенерированный катализатор возвращается в реактор, а дымовые газы переходят в котел дожига окиси углерода.

ВVIII

Рис. 21.3. Принципиальная схема установки каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем микросферического катализатора:

К-1 – ректификационная колонна; К-2 – отпарная колонна; П-1, П-2 – печи; P-1 – реактор; Р-2 – регенератор; ПК – поршневой компрессор; В – воздуходувка;

XK – конденсатор-холодильник; Х-1, Х-2 – холодильники; Т-1–Т-4 – теплообменники;

С– сепаратор; Е – емкость для воды; КУ – котел-утилизатор; Э – электрофильтр;

Д– дозер; Н-1–Н-6 – насосы;

I – сырье; II – катализатор; III – бензин; IV – жирный газ; V – легкий газойль; VI – сырье для производства технического углерода; VII – вода; VIII – воздух; IX – водяной пар; X – дымовые газы; XI – топливный газ;

XII – циркулирующее орошение К-1

Пары продуктов реакции с верха реактора поступают в нижнюю часть ректификационнойколонныК-1,гдепервоначальноочищаютсяоткатализа- торной пыли за счет промывки жидким остатком. С верха колонны в конден- сатор-холодильник ХК поступают газ, пары бензина и водяной пар. После конденсации продукты в сепараторе С разделяются: бензин и газ самостоятельными потоками подаются в газовый блок, а вода сбрасывается в канализацию. Газ перед подачей в газовый блок сжимается компрессором ПК.

376

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности химических процессов

В колонне К-1 отбираются два боковых погона, которые поступают в отпарную колонну К-2 для удаления легких фракций. Затем боковые погоны (фракции 195–280 °С и 280–420 °С) через теплообменники и холодильники уходят с установки. С низа К-1 в реактор возвращается тяжелый га- зойль-рециркулят. Газовый блок установки (на схеме не показан) состоит из секции сероочистки и компримирования газа, абсорбции и стабилизации бензина. Очистка газа от сернистых соединений проводится раствором моноэтаноламина, абсорбция – холодным стабильным бензином. Кратность циркуляции катализатора 6–7.

Температурные параметры процесса:

вреакторе Р-1 490 °С;

врегенераторе Р-2 650–670 °С; внизу колонны К-1 280 °С.

Продукция установки каталитического крекинга:

–  углеводородныйгаз,содержащий80–90 %(масс.)пропан-пропилено-

вой и бутан-бутиленовой фракций, который направляется на газофракционирующие установки для получения после разделения на фракции, используемыевпроцессахалкилированияиполимеризациидляпроизводствадивинила, изопрена, этилена, пропилена, полиизобутилена, ионола, метилэтилкетона и других нефтехимических продуктов;

–  бензиновая фракция с температурой конца кипения 195 °С, которая имеет октановое число 87–93 (по исследовательскому методу) и используется как компонент автомобильного и авиационного бензина;

–  дизельная фракция 195–280 °С с цетановым числом 40–45, используемая как компонент дизельного топлива;

–  фракция 280–420 °С, используемая при получении сырья для производства технического углерода;

–  тяжелый газойль (фракция выше 420 °С), который используется как компонент котельного топлива.

Особенности пожарной опасности процессов крекинга:

–  использование в качестве сырья углеводородных газов, различных нефтяных фракций;

–  повышение пожаровзрывоопасности продуктов по сравнению с исходным сырьем;

–  высокая температура процессов (500–800 °С) и повышенное давление (до 6 МПа);

–  возможность образования ВОК в аппаратах установок гидрокрекинга с циркулирующим катализатором при окислительной регенерации катализатора;

377

Пожарная безопасность технологических процессов

–  конечные продукты реакций представляют собой смеси ГГ, паров или жидких ЛВЖ и ГЖ с водородом, для выделения целевых продуктов из которых требуется дополнительное проведение сложных и пожаровзрывоопасных физико-химических процессов;

–  образование отложений кокса в реакторе Р-1, на микросферическом катализаторе;

–  наличие открытого огня в трубчатом реакторе; –  механические, температурные и химические воздействия (в первую

очередь водородная коррозия) на материал оборудования.

Пожарная безопасность процессов крекинга обеспечива - ется следующими основными способами и техническими ре - шениями и их комбинацией:

–  автоматическим контролем и регулированием расхода сырья, окислителя на регенерацию катализатора и концентрации в нем кислорода;

–  автоматическим контролем и регулированием температуры процесса и труб в изотермическом реакторе, сырья, поступающего в адиабатический реактор, процесса в регенераторе;

–  автоматическими блокировками подачи компонентов при опасном отклонении технологических параметров от нормального уровня (с одновременной подачей инертного газа в регенератор);

–  контролем давления и устройством предохранительных клапанов; –  контролем температуры труб в трубчатом реакторе; –  устройством температурных компенсаторов;

–  очисткой теплообменных поверхностей от отложений кокса; –  применением коррозионно-стойких материалов и защитой оборудо-

вания от коррозии; –  устройством систем аварийной эвакуации продуктов;

–  применением тех же способов обеспечения пожарной безопасности, что и при эксплуатации трубчатых печей.

контрольные вопросы

1.Перечислите процессы, относящиеся к экзотермическим и к эндотермическим химическим процессам, в чем их существенное отличие?

2.Укажите признаки классификации химических реакторов, поясните их.

3.Какая особенность характерна для большинства химических про-

цессов?

4.Поясните суть процессов гидрирования.

5.Поясните устройство и работу колонны синтеза аммиака.

6.Укажите особенности пожарной опасности процессов гидрирования, поясните их.

378

Пожарная опасность и способы обеспечения пожарной безопасности химических процессов

7.Перечислите основные способы обеспечения пожарной безопасности процессов гидрирования, поясните их.

8.Поясните суть процессов полимеризации.

9.Укажите особенности пожарной опасности процессов полимеризации, поясните их.

10.Перечислите и поясните основные способы обеспечения пожарной безопасности процессов полимеризации.

11.Поясните суть процесса производства ацетальдегида дегидрированием этилового спирта.

12.Укажите особенности пожарной опасности процесса дегидрирования этилового спирта, поясните их.

13.Поясните основные способы обеспечения пожарной безопасности процесса дегидрирования этилового спирта.

14.Поясните суть процесса каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем циркулирующего микросферического катализатора.

15.Укажите особенности пожарной опасности процессов каталитического крекинга, поясните их.

16.Перечислите и поясните основные способы обеспечения пожарной безопасности процессов каталитического крекинга.

379

Пожарная безопасность технологических процессов

Глава 22

пожарная безопасность технологий добычи и переработки нефти

22.1. Общие сведения о свойствах нефти и технологиях ее добычи

Нефть – маслянистая легковоспламеняющаяся жидкость обычно тем- но-коричневого цвета со специфическим запахом, состоящая из смеси метановых (парафиновых), нафтеновых и ароматических углеводородов. Нефть состоит в основном из двух химических элементов: углерода (82–87 %) и водорода (11–14 %). Растворенные в нефти газообразные углеводороды (метан, этан, пропан и бутаны) при снижении давления до атмосферного выделяются в виде попутных газов нефтедобычи. В состав нефти входят также твердые углеводороды (парафины и церезины), от содержания которых зависит ее вязкость. Температура застывания нефти от –60 до +30 °С. Наряду с углеводородами в состав нефти входят химические соединения, содержащие серу, азот, кислород, ванадий, йод, хлор, никель и другие атомы, определяющие ее высокую коррозионную активность.

Молярная масса нефти 220–400 кг/кмоль, плотность 650–1 050 кг/м3, теплоемкость 1,7–2,1 кДж/(кг∙К). Температура вспышки нефти от –35 до +121 °C, теплота сгорания 43 700–46 200 кДж/кг. При горении нефть прогревается в глубину, образуя возрастающий гомотермический слой. Скорость выгорания 9–12 см/ч, скорость нарастания прогретого до температуры 130– 160 °С слоя нефти 24–36 см/ч, температура пламени 1 100 °С. Нефть в воде практически нерастворима, но может образовывать с ней стойкие эмульсии.

Поскольку нефть имеет сложный состав, она характеризуется температуройначалакипенияжидкихуглеводородов(обычноболее28 °C,адлятяжелых сортов нефти более 100 °C) и фракционным составом – выходом отдельных фракций, перегоняющихся сначала при атмосферном давлении, а затем под вакуумом в определенных температурных пределах.

Важное значение при оценке пожарной опасности процессов добычи, транспорта, переработки и хранении нефти и нефтепродуктов имеет испаряемость, т. е. способность нефти и нефтепродуктов переходить из жидкой фазы в паровую, вследствие чего теряется большое количество легких фракций нефти (до 10–12 % в год от объема добычи), ухудшается качество нефтепродуктов, образуются взрывоопасные концентрации и создаются вредные условия труда на производстве. Во избежание потерь от испарения и предотвращения образования ВОК весь путь нефти от скважины до потребителя стремятся выполнить максимально герметизированным.

Попутныенефтяныегазы(ПНГ)являютсяпобочнымпродуктомнефтедобычи и в залежах находятся в виде газовых шапок и газов, растворенных в

380